Огнеупоры - классификация, свойства, применение

ОГНЕУПОРЫ

Огнеупоры- материалы и изделия, изготовляемые главным образом на основе минерального сырья, обладающие огнеупорностью (способностью противостоять, не расплавляясь, действию высокой температуры не ниже 1580°С (по стандартам ряда стран−не ниже 1500 °С). Применяются для кладки промышленных печей, топок, аппаратов и др. тепловых агрегатов.

Технический прогресс разных отраслей промышленности (черной и цветной металлургии, электроэнергетики, химической, газовой, нефтеперерабатывающей) нередко связан с высокой температурой отдельных производственных процессов. Это вызывает необходимость применения огнеупоров. При повышении стойкости огнеупоров и теплоизоляционных материалов, при увеличении продолжительности их службы сокращается общее время простоя тепловых агрегатов из-за ремонта огнеупорной футеровки или тепловой изоляции и повышается их производительность. Огнеупорные материалы могут служить в различных температурных условиях и разнообразных средах. Одни огнеупорные материалы контактируют с разного рода расплавами (стекольными, шлаковыми, расплавами металлов и т. п.) и подвергаются при этом как физической, так и химической коррозии. Поэтому основными требованиями к таким огнеупорам являются их высокая плотность и прочность, определенный химический состав. Другие огнеупорные материалы используют лишь в газовой среде, где менее агрессивные условия. Третьи предназначены для службы в условиях многократного попеременного нагревания и охлаждения, поэтому должны обладать высокой термической стойкостью. Всему многообразию требований одновременно не отвечает ни один современный огнеупорный материал. Этим и объясняется большое количество видов огнеупоров, применяющихся в промышленности.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
По химическим свойствам различают кислые, нейтральные, основные огнеупоры.
Огнеупорные изделия в зависимости от степени огнеупорности подразделяются на три класса:

1. огнеупорные (от 1580 до 17700С);
2. высокоогнеупорные—(от 1770 до 2000°С);
3. высшей огнеупорности—(выше 2000°С).
   В зависимости от физико-химических свойств исходного сырья огнеупорные изделия делятся на

8 основных групп, которые, в свою очередь подразделяются на 18 типов (табл. 1.4).
Различие их состоит главным образом в природе используемого сырья. Таблица 1.4 -

Классификация огнеупоров.

Кремнеземистые:

• Динасовые
• Кварцевые

Алюмосиликатные

• Полукислые
• Шамотные
• Высокоглинистые

Магнезиальные

• Периклазовые
• Доломитовые
• Форстеритовые
• Шпинельные

Хромистые

• Хромистые
• Хромомагнезитовые

Углеродистые

• Графитовые
• Коксовые

Цирконистые

• Цирконовые
• Цирктониевые

Окисные

• Окисные специальные

Карбоидные,нитридные

• Карборундовые
• Прочие

Рис. а) кирпич прямой, б) клин трапецецеидальный, в) клин торцовый, г) кирпич трапецецеидальный, д) кирпич пятовый, е) клин торцовый двухсторонний, д) клин ребровый двухсторонний, з) плита, и) кирпич насадочный, к) кирпич фасонный.

По форме и размерам все виды огнеупорных изделий подразделяются:

• нормальный кирпич (большого и ма- лого формата);

• прямой и «клиновой» кирпич (продольный и поперечный клин);

• фасонные изделия (простые, слож- ные, особо сложные);

• крупноблочные изделия.

К отдельной разновидности следует отнести огнеупорный бетон, являющимся безобжиговым

огнеупором.
По степени пористости (плотности) огнеупорные изделия делятся: на особоплотные с

пористостью менее 3%; на высокоплотные с пористостью 3÷10%; на плотные с пористостью 10— 20%; на обычные с пористостью 20÷ 30%. Особую группу составляют легковесные и термоизоля- ционные огнеупоры с пористостью 46÷85%.

По способу изготовления огнеупорные изделия подразделяются:

пиленые из естественных горных пород;

литые из жидкого шликера или расплава;

полученные пластичным или полусухим формованием или трамбованием из

порошкообразных непластичных масс.
По характеру термической обработки огнеупорные изделия бывают:

безобжиговые;

обожженные;

отлитые из расплава.

Свойства огнеупоров

• огнеупорные материалы прежде всего должны выдерживать воздействие высоких температур, не расплавляясь;

• способность противостоять действию рабочей нагрузки при определенных температурах в течение длительного времени;

• малыекоэффициентыобъемногорасширенияилисжатия;
• химическаястойкость.
Огнеупорная футеровка промышленных печей и топок подвержена химическому воздействию

продуктов сгорания топлива, расплавов материалов, которые плавятся или обжигаются в печах. Степень разрушения огнеупорных материалов от этих воздействий зависит от химического состава среды, температуры процесса, а также от химического состава, и пористости самого огнеупора. Пока нет еще огнеупорных материалов, сочетающих в равной мере все эксплуатационные качества, необходимые для надежной службы в любых условиях. Каждый вид огнеупорного материала характеризуется присущими лишь ему свойствами, на основании которых определяется рациональная область его применения. Так, например большая строительная прочность динаса, сохраняющаяся и при высоких температурах, делает его особенно пригодным для кладки сводов мартеновских печей, работающих при температурах до 1700°С. Однако неудовлетворительная термическая стойкость в определенном температурном интервале, недостаточно высокие

Температура нагрева в современных печах и топках колеблется в пределах 1000÷1800°С и выше. К огнеупорам предъявляется комплекс требований:
огнеупорность и устойчивость динаса против действия шлаковых расплавов сильно сокращают продолжительность его службы в печах. В то же время высокоогнеупорный и шлакоустойчивый магнезитовый кирпич из-за недостаточно строительной прочности при высоких температурах и низкой термической стойкости не может быть использован своде мартеновской печи. Таким образом, чтобы правильно выбрать и эффективно использовать огнеупорный материал, нужно знать не только его основные свойства, но и условия эксплуатации.

Свойства огнеупоров условно можно разбить на три группы:

• теплофизические и термические (огнеупорность, температура начала деформаций под нагрузкой, температурные коэффициентом линейного расширения, теплопроводность, термическая стойкость, теплоемкость, постоянство форм размеров при высоких температурах);

• физико-технические (плотность, механическая прочность, пористость, электропроводность, водопоглощение, газопроницае-мость);

• физико-химические (шлакоустойчивость, кислотность).

Огнеупорность. Огнеупорностью называют свойство материала противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Огнеупорность материала характеризуют той температурой, при которой изготовленный образец (пирамида), деформируясь при нагревании верхним концом коснется подставки, на которой он установлен.

Постоянство объема при высоких температурах. При длительном воздействии на огнеупоры высоких температур в процессе их службы в них продолжаются начавшиеся во время обжига (т. е. при их производстве) физико-химические процессы, в результате которых происходит необратимое изменение объема огнеупорных изделий, называемое в зависимости от уменьшения или увеличения его дополнительной усадкой или ростом. Как усадка, так и рост огнеупорных изделий снижают проч- ность кладки тепловой установки. При воздействии высоких температур большая часть огнеупорных материалов уменьшается в объеме. Некоторые—динас, корунд с добавкой извести и другие, напро- тив, увеличиваются в объеме. Изменение объема огнеупорного материала в процессе его службы- явление весьма нежелательное, так как оно может привести к разрушению кладки тепловой установки. При разогреве и охлаждении тепловых установок в процессе их эксплуатации огнеупорная кладка нагревается неравномерно, и огнеупорный материал растрескивается из-за его недостаточной термической стойкости. Это обстоятельство является одним из наиболее важных фак- торов, определяющих срок службы тепловых агрегатов.

Деформация под нагрузкой при высоких температура. Этим показателем определяется способность материал противостоять одновременно воздействиям высоких температур и сжимающей нагрузки. Для этого образцы цилиндрической формы высотой 50 и диаметром 36 мм высверливают из изделия, помещают в высокотемпературную печь, прикладывают нагрузку 2 кгс/см2 (0,02 кН/см2) и нагревают с заданной скоростью до температуры, соответствующей началу размягчения (НР). Испытание прекращают, когда образец оказывается сжатым до 40% его первоначальной высоты.

РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ОГНЕУПОРЫ.

Шамотные изделия является самым распространенным видом огнеупорных материалов—свыше 70% выпускаемых в СНГ огнеупоров. Содержание Аl2O3 в шамотных изделиях находится в пределах от 28 до 45%.

Шамотные изделия вследствие их большой, сравнительно со многими другими огнеупорами, термической стойкости, достаточно высокой огнеупорности и шлакоустойчивости, широко применяют для кладки многих промышленных тепловых, агрегатов. В производстве чугуна шамотные и полукислые огнеупоры используют для футеровки доменных печей, воздухонагревателей и чугуновозных ковшей, для кладки некоторых элементов мартеновских печей; стекловаренных печей. В процессе эксплуатации шамотные и полукислые огнеупоры изнашиваются без скалывания, равномерно оплавляясь, растворяясь и корродируя.

К кремнезёмистым огнеупорным материалам относятся динас и кварцевое стекло. Динас−огнеупорный материал, содержащий не менее 93% кремнезёма, изготовленный из кварцевых пород на известковой или иной связке обжигом при высоких температуpax. Огнеупорность 1680- 1730 °С. Разработана технология получения некоторых разновидностей динаса: динасокарборунда, динасохромита, динасового легковеса. Область применения динаса: для кладки мартеновских, коксовых, стекловаренных печей и злектросталеплавильных печей.

Карборундовые огнеупорные изделия изготавливают из карбида кремния SiC (карборунда). Его получают только искусственным путем: высокотемпературной обработкой (при 2000—2200°С) смеси кремнезема и углеродистого материала. Карборунд не плавится, а при нормальном атмосферном давлении и температуре 2050°С начинает диссоциировать. Полная диссоциация происходит при температуре 2400—2500°С. При 2700—2800°С начинается процесс испарения. В окислительной среде при высокой температуре SiC окисляется, что является существенным недостатком, ограничивающим применение его как огнеупорного материала. Карборундовые огнеупоры на алюмосиликатной глинистой связке по сравнению с другими карборундовыми изделиями изготавливают в большем количестве. Благодаря своим специфическим свойствам карборундовые огнеупоры находят широкое применение в различных областях техники: в черной и цветной металлургии, в химической и керамической промышленности и в других областях. Наиболее целесообразно применение карборундовых огнеупоров для нужд черной металлургии: для устройства высокотемпературных рекуператоров, изготовления прoбок и стаканов для непрерывной разливки стали. Карборундовые изделия выгодно использовать в тех случаях, когда требуется их высокая теплопроводность, термостойкость и шлакоустойчивость. Кроме того, карборундовые изделия применяют в устройствах, в которых к материалам предъявляются требования по сопротивляемости механическим воздействиям, например при использовании их в циклонах и пылесборниках. В восстановительных и нейтральных средах карборундовые изделия устойчивы при температурах до 2000°С. В химической промышленности из карборундовых огнеупоров изготовляют сопла для распыления водного раствора SO2, сливные блоки травильных ванн, детали насосов для перекачки кислых шлаков и т. д. Карборундовые огнеупоры незаменимы в качестве футеровки котлов с жидким шлакоудалением (например, котлов ТЭЦ) при вихревом движении газов со скоростью 100 м/с, нагретых до 1600-1800°С. Высокая твердость SiC обусловливает широкое применение его в качестве абразивного материала.